波涌灌间歇入渗饱和—非饱和土壤水氮运移转化特性与数值模拟研究

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目前我国地面灌溉面积占总灌溉面积的90%以上,随着农业生产的发展,我国氮肥施用量急剧增加,大量的氮肥损失经灌溉入渗进入到地下水中严重污染了地下水环境,结合我国农业当前现状,推广和应用一种高效灌溉、低污染的地面灌溉方式有着重要的意义。本文在查阅国内外相关文献资料基础上,结合国家自然科学基金项目,在室内试验、数值模拟和讨论分析基础上,对连续入渗和间歇入渗不同灌水方式、波涌灌间歇入渗下不同灌水定额、不同肥液浓度下土壤水分和氮素迁移转化规律进行了较为深入的研究。  主要结论如下:  (1).波涌灌间歇入渗土壤和地下水中水分溶质运移分布特点为:在入渗结束及再分布过程中,间歇入渗较连续入渗能将水氮更为均匀地保存在浅层土壤中;在入渗结束及再分布过程中,间歇入渗较连续入渗地下水中NO3--N的浓度及其再分布的增长率偏低,可以有效缓解农业施肥对地下水环境的污染。  (2).灌水定额对土壤和地下水中水分、溶质运移转化的影响表现为以下方面。对水分运移分布的影响:灌水定额越大,灌溉水深层渗漏越大。对溶质运移转化的影响:灌水定额越大,铵态氮迁移锋面越深,同层土壤铵态氮浓度越大;不同灌水定额供水结束时地下水中氮素增加比率在44%左右,表明深层渗漏是引起地下水污染的主要原因。不同灌水定额入渗结束和再分布期(1d、5d、10d、20d)地下水中硝态氮的增加比率基本相同。  (3).肥液浓度对土壤和地下水中水分、溶质运移转化的影响表现为以下方面。对水分运移分布的影响:肥液浓度越大,同深度土层对应含水率越大,湿润峰运移距离越大;肥液浓度对土壤水分运移的影响程度在入渗结束和再分布期表现一致。对溶质运移转化的影响:肥液浓度越大,溶质迁移锋面向下迁移越深,土层120cm~150cm内土壤NH4+-N含量越大;肥液浓度越大,灌水对0-15cm土层中硝态氮的淋洗作用越强;肥液浓度对进入地下水中硝态氮量的影响在入渗结束时最大,随再分布期的延长其影响程度逐渐减少。  (4).建立了饱和-非饱和条件下土壤水、溶质耦合运移的一维数学模型,并验证了模型。用所建模型对波涌灌间歇入渗不同循环率r=1、1/2、/3、1/4分别进行了数值模拟。  (5).数值模拟中,提出了对波涌灌间歇入渗产生的致密层的两种处理方法,分别是概化法,和动态变化法。概化法是将整个灌水过程中地表土壤导水率的动态变化概化为一个平均常数;动态变化法是将致密层的导水率是以致密层容重为变量的动态函数。
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